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  • 各類三端穩(wěn)壓器反向擊穿和防護(hù)解析
    • 發(fā)布時(shí)間:2019-11-21 17:12:23
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    三端穩(wěn)壓器,反向擊穿
    三端穩(wěn)壓器介紹與分類
    在了解三端穩(wěn)壓器反向擊穿之前,先來了解三端穩(wěn)壓器。是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件。穩(wěn)壓管在反向擊穿時(shí),在一定的電流范圍內(nèi)(或者說在一定功率損耗范圍內(nèi)),端電壓幾乎不變,表現(xiàn)出穩(wěn)壓特性,因而廣泛應(yīng)用于穩(wěn)壓電源與限幅電路之中。
    分類:
    三端穩(wěn)壓器,主要有兩種,一種輸出電壓是固定的,稱為固定輸出三端穩(wěn)壓管,另一種輸出電壓是可調(diào)的,稱為可調(diào)輸出三端穩(wěn)壓器。
    三端穩(wěn)壓器反向擊穿概述
    集成穩(wěn)壓器應(yīng)用測試過程’中,任意兩個(gè)管腳之間嚴(yán)格禁止出現(xiàn)瞬態(tài)的‘反偏’狀態(tài)(包括mS級(jí)的瞬態(tài)反偏),否則電路有可能在瞬間被反偏擊穿燒毀。
    電路有可能出現(xiàn)反偏擊穿的外部狀態(tài):GND→IN、OUT→IN、GND→OUT、ADJ→OUT,應(yīng)用中要求:GND →IN≤|-1V|,其他管腳間為≤|-5V|。
    【以上幾種現(xiàn)象損壞的穩(wěn)壓器、可以通過電路解剖觀察芯片有不同的燒毀痕跡。】
    在測試或裝配過程中‘人為疏忽’造成‘反接’狀態(tài),是“沒有什么措施可以保護(hù)”的。如:發(fā)生管教倒置,輸入電壓極性接反、樣品規(guī)格與使用規(guī)格不符等情況,必須操作中細(xì)心的加以防止。
    在特定情況下有應(yīng)用電路產(chǎn)生的‘瞬態(tài)’的反偏狀態(tài),可以參考推薦保護(hù)措施增加相應(yīng)保護(hù)元件還是可以避免的,當(dāng)缺少相應(yīng)的保護(hù)元件時(shí)‘偶發(fā)’條件下穩(wěn)壓器電路的隨機(jī)損壞的情況將不能避免這種情況引起的電路失效不屬于電路產(chǎn)品質(zhì)量問題。
    三端穩(wěn)壓器反向擊穿分析與防護(hù)
    排除人為不當(dāng)造成的電路出現(xiàn)反偏情況,常見的由應(yīng)用電路在特定條件下產(chǎn)生的‘瞬態(tài)’反偏狀態(tài)及擊穿機(jī)理進(jìn)行簡要的描述和分析:
    (一)OUT→IN端反偏
    產(chǎn)生來源:
    ①負(fù)載時(shí)對電池類的充電應(yīng)用,斷電時(shí)電池并未脫離電路輸出端。
    ②電路輸入存在有大的負(fù)向脈沖,如果電路輸入同時(shí)存在較大的感性負(fù)荷的反電動(dòng)勢。
    ③電路輸出端接入大的濾波電解電容。(發(fā)生較多的反接擊穿情況)
    保護(hù)措施:
    在電路I-O端之間增加保護(hù)二極管Di,將I-O反偏電壓鉗位在1V以內(nèi)。
    三端穩(wěn)壓器,反向擊穿
    機(jī)理分析:
    只要不是穩(wěn)壓電路輸出應(yīng)用環(huán)境造成的工作條件,應(yīng)用中在電路輸出端不應(yīng)接入大的濾波電解電容。接入這個(gè)電解有可能造成一個(gè)電路的OUT→IN端之間的‘反接’機(jī)會(huì)。
    理論上,只要電源的輸入濾波電解足夠大,可以保證即使在穩(wěn)壓電路輸入電壓處于紋波‘谷點(diǎn)’時(shí)也可以滿足電路穩(wěn)壓必須的最小輸入壓差的特定要求。電路自身具有很強(qiáng)的紋波抑制能力,根本沒有必要在輸出端接濾波電解電容。
    接輸出端的濾波電容對于電源濾波所起的作用很小,這個(gè)電容有時(shí)反而會(huì)造成意外損壞穩(wěn)壓器電路的特定條件。
    不推薦在輸出端接濾波電容式由于電容的‘儲(chǔ)能作用’,電容充電后可等效為一電池,在特定的情況下,如輸入電壓在瞬間的短路,感性元器件產(chǎn)生的負(fù)脈沖或關(guān)機(jī)后輸入電壓下降更快時(shí),有可能造成電路VO>VI的電位反偏狀態(tài)。在輸出端接濾波電容>20μF以后,電路調(diào)整管的反偏-5V左右。輸出電容的放電過程可能在mS量級(jí)的瞬態(tài)反向擊穿或損傷電路調(diào)整管,輸出電容容量越大,反偏電壓越高,對調(diào)整管損傷越嚴(yán)重直至燒毀。
    建議:
    50Hz市電整流濾波應(yīng)用時(shí),CD值為每1A負(fù)載電流取2000μf范圍,否則輸入紋波可能較大。在穩(wěn)壓電路的輸入電壓已經(jīng)很低時(shí),就可能造成(Vi-Vo)低于電路工作時(shí)允許的最小壓差(Vi-Vo)min,出現(xiàn)電路瞬間脫離穩(wěn)壓控制的狀態(tài)。
    電路脫離穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)輸出不等比跟蹤輸入變化。在(Vi-Vo)≥(Vi-Vo)min時(shí),輸出電壓穩(wěn)定在途中的直線Vo段,在(Vi-Vo)<(Vi-Vo)min時(shí),由于這時(shí)電路脫離穩(wěn)壓狀態(tài),輸入的紋波電壓幾乎完全鏡象到電路輸出,這時(shí)穩(wěn)壓電路的紋波抑制比功能此時(shí)不會(huì)起作用,對外表現(xiàn)電路穩(wěn)壓特性很差或電路不能穩(wěn)壓。如下圖中Vo為穩(wěn)壓時(shí)的值、Vo'為用直流電壓表的測量的平均值、Vd為鏡像到輸出的輸入紋波谷點(diǎn)電壓。
    三端穩(wěn)壓器,反向擊穿
    (二)GND→IN端反偏
    產(chǎn)生來源
    在汽車類電子領(lǐng)域的電路應(yīng)用中發(fā)生較多,如部分車型的汽車馬達(dá)、點(diǎn)火系統(tǒng)等感性設(shè)備產(chǎn)生的約50-200mS脈寬范圍的瞬態(tài)微分峰值電壓可達(dá)+70V、-80V范圍,5-20mS脈寬范圍的可能達(dá)到+110V、-250V范圍。其中的負(fù)向脈沖造成了這種反偏。(正想脈沖可能造成電路輸出出現(xiàn)‘瞬態(tài)’過壓擊穿燒毀)
    保護(hù)措施
    將反偏電壓鉗位在1V以內(nèi),對于負(fù)向脈沖增加Df進(jìn)行抑制。
    三端穩(wěn)壓器,反向擊穿
    (三)GND→OUT端反偏
    產(chǎn)生來源:
    ①來自正負(fù)輸出配對應(yīng)用,當(dāng)正負(fù)輸出的公共負(fù)載發(fā)生瞬態(tài)的短路時(shí)。
    ②電路輸出存在有大的感性負(fù)荷,較大的反向電動(dòng)勢產(chǎn)生的負(fù)向脈沖。
    ③為獲得高于穩(wěn)壓器標(biāo)稱值的電路輸出,輸出電壓被Dz抬起一個(gè)固定電壓值(如下圖),沒有保護(hù)二極管D的情況下,輸出存在瞬態(tài)的短路情況。
    三端穩(wěn)壓器,反向擊穿
    由于設(shè)計(jì)算短穩(wěn)壓器電路正常工作時(shí),電路的公共端的電位應(yīng)是最低的(絕對值),無論任何原因造成電路GND端電位高于其他兩端電位的情況,即屬于電路的‘反偏’狀態(tài),反偏電位的絕對值達(dá)到5V以上時(shí),mS量級(jí)脈寬的瞬態(tài)‘反偏’就會(huì)造成內(nèi)部電路的相關(guān)區(qū)域受損或燒毀。這種擊穿是隨機(jī)發(fā)生的現(xiàn)象,不同批次產(chǎn)品或同批次產(chǎn)品發(fā)生概率可能不同。
    保護(hù)措施:
    應(yīng)將反偏電壓鉗位在1V以內(nèi)。增加途中二極管D。
    (四)Adj→OUT端反偏
    三端穩(wěn)壓器,反向擊穿
    可調(diào)三端穩(wěn)壓器典型應(yīng)用電路
    產(chǎn)生來源:
    從可調(diào)系列電路的典型應(yīng)用電路圖可以看出,應(yīng)用中調(diào)整端Adj的電位應(yīng)永遠(yuǎn)低于輸出端OUT的電位,參考OUT端的電位而言Vadj=VREF=-1.25V。
    在輸出電壓取樣回路中,VR2=Vadj=VO-VREF=VO-1.25V≈VO,可見在可調(diào)系列電路讀書處取樣回路中,電壓幾乎是全部的降在可調(diào)電阻R2上。因此、VC3=VR2≈VO。
    產(chǎn)生VO-ADJ端‘反接’的原因:應(yīng)用中在可調(diào)系列電路時(shí),在輸出下取樣電阻的兩端并聯(lián)一支10μ~47μ的輸出紋波抑制電解C3,這個(gè)C3確實(shí)可起到減小輸出紋波電壓的作用(注意:紋波參數(shù)測試時(shí),對C3的容量也是有具體要求的)。但因有VC3=VR2≈VO的存在,接入這個(gè)電解也創(chuàng)造了一個(gè)ADJ→VO端之間的電路‘反接’機(jī)會(huì)。
    三端穩(wěn)壓器,反向擊穿
    可調(diào)三端內(nèi)部電路簡圖
    從內(nèi)部電路的局部電路圖中可以看出,在VO-Adj端的反偏足夠大時(shí),Q17的EB結(jié)就可能因?yàn)殡妷悍雌粨舸憧梢詿龤c電阻R14相關(guān)的電阻體、10~20μm寬的鋁引線層、引線孔等局部電路部分。當(dāng)外部表征為器件的輸出電壓不能進(jìn)行調(diào)整時(shí),這時(shí)電路已經(jīng)失效了。
    造成這類擊穿由于三極管的BVEBO是很低的(不妨用分立器件的三極管實(shí)測一下)。從圖中可以看出、接于Adj端的C3是通過調(diào)整電流Iadj進(jìn)行充電的,但C3被充電后自身是沒有‘低阻的’放電通路的。如果應(yīng)用中設(shè)點(diǎn)VO較高,由于VC3≈VO,必然有C3兩端的電壓VC3也很高。如這時(shí)出現(xiàn)VO≈0時(shí)的瞬間‘短路’狀態(tài),必然造成Adj→VO端的反偏擊穿,C3儲(chǔ)存的能量通過調(diào)整端內(nèi)部電路進(jìn)行逆向放電(放電通路用虛線表示)。
    在C3>10μF、VC3>5V以后,僅需mS量級(jí)的瞬態(tài),就有可能燒傷穩(wěn)壓器調(diào)整端內(nèi)部的局部電路,由于燒毀所需能量很小,因此顯微鏡下觀察這種造成電路失效的燒痕最小,一般僅在20μm×20μm范圍以內(nèi)。
    保護(hù)措施:
    增加典型應(yīng)用電路圖中的反向鉗位二極管DO。
    防止測試中電路樣品異常損壞:
    針對正壓可調(diào)系列電路,測試儀器使用前應(yīng)明確必須有反向鉗位二極管DO存在。
    其理由很簡單對于正可調(diào)系列金屬封裝的電路,金屬殼體的裝配孔為第三引出端、并被定義為電路的輸出端。對樣品進(jìn)行測試時(shí)、先接觸插座的肯定是插入孔中的1腳、2腳,即輸入端和調(diào)整端,一旦1腳、2腳插入后、電源立刻通過調(diào)整電流Iadj對接在C3充電。如設(shè)定的VC3較高、最后接觸插座的輸出端可能存在短路的條件時(shí)(可參考下方C-V圖的△t瞬間),就有可能在測試中燒傷穩(wěn)壓器調(diào)整內(nèi)部的局部電路。
    三端穩(wěn)壓器,反向擊穿
    三端穩(wěn)壓管內(nèi)部電路圖
    三端穩(wěn)壓器,反向擊穿
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